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DCS控制系统PID参数的整定方法.

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PID参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 1. PID 常用口诀:

参数整定找最佳,从小到大顺序查, 先是比例后积分,最后再把微分加, 曲线振荡很频繁,比例度盘要放大, 曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳, 曲线偏离回复慢,积分时间往下降, 曲线波动周期长,积分时间再加长, 曲线振荡频率快,先把微分降下来, 动差大来波动慢,微分时间应加长, 理想曲线两个波,前高后低 4 比 1, 一看二调多分析,调节质量不会低 2.PID 控制器参数的工程整定,

各种调节系统中 P.I.D 参数经验数据以下可参照: 温度 T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s 压力 P: P=30~70%,T=24~180s, 液位 L: P=20~80%,T=60~300s,

流量 L: P=40~100%,T=6~60s。 3.PID 控制的原理和特点

在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称 PID 控制,又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史,它以其结构简单、稳定性好、 工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌 握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参 数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解 一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用 PID 控制技 术。PID 控制,实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、 微分计算出控制量进行控制的。

比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号 成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。 积分(I)控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对 一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或 简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差,在控制器中必须引 入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即 便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一 步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分(D)控制 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化 率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因 是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总 是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时, 抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例 项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,

这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从 而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能 改善系统在调节过程中的动态特性。

可以用MATLAB仿仿,感受一下参数对典型对象动态特性影响

请参考“先进PID控制及其MATLAB仿真”,刘金琨编,电子工业出版社2003年1月版

控制电动阀的开度来达到控制温度是可以的,我个人认为用比例电磁阀替代电动阀完全可以实现PID的控制。因为比例电磁阀有标准的模拟量输入信号和反馈信号而且具有PID调节功能。经过多年的工作经验,我个人认为PID参数的设置的大小,一方面是要根据控制对象的具体情况而定;另一方面是经验。P是解决幅值震荡,P大了会出现幅值震荡的幅度大,但震荡频率小,系统达到稳定时间长;I是解决动作响应的速度快慢的,I大了响应速度慢,反之则快;D是消除静态误差的,一般D设置都比较小,而且对系统影响比较小。对于温度控制系统P在5-10%之间;I在180-240s之间;D在30以下。对于压力控制系统P在30-60%之间;I在30-90s之间;D在30以下。

PID参数整定方法就是确定调节器的比例带PB、积分时间Ti和和微分时间Td。一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。目前,应用最多的还是工程整定法:如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。各种方法的大体过程如下:

(1)经验法又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB和Ti,通过改变给定值对控制系统施加一个扰动,现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想,可改变PB或Ti,再画控制过程曲线,经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止,这时的PB和Ti就是最佳值。如果调节器是PID三作用式,那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力,所以确定一个Td值后,可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试,直到PB、Ti和Td取得最佳值为止。显然用经验法整定的参数是准确的。但花时间较多。为缩短整定时间,应注意以下几点:①根据控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td。可参照在实际运行中的同类控制系统的参数值,或参照表3-4-1所给的参数值,使确定的初始参数尽量接近整定的理想值。这样可大大减少现场凑试的次数。②在凑试过程中,若发现被控量变化缓慢,不能尽快达到稳定值,这是由于PB过大或Ti过长引起的,但两者是有区别的:PB过大,曲线漂浮较大,变化不规则,Ti过长,曲线带有振荡分量,接近给定值很缓慢。这样可根据曲线形状来改变PB或Ti。③PB过小,Ti过短,Td太长都会导致振荡衰减得慢,甚至不衰减,其区别是PB过小,振荡周期较短;Ti过短,振荡周期较长;Td太长,振荡周期最短。④如果在整定过程中出现等幅振荡,并且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时,可能是阀门定位器调校不准,调节阀传动部分有间隙(或调节阀尺寸过大)或控制对象受到等幅波动的干扰等,都会使被控量出现等幅振荡。这时就不能只注意调节器参数的整定,而是要检查与调校其它仪表和环节。

(2)衰减曲线法是以4:1衰减作为整定要求的,先切除调节器的积分和微分作用 ,用凑试法整定纯比例控制作用的比例带PB(比同时凑试二个或三个参数要简单得多),使之符合4:1衰减比例的要求,记下此时的比例带PBs和振荡周期Ts。如果加进积分和微分作用,可按表3-4-2给出经验公式进行计算。若按这种方式整定的参数作适当的调整。对有些控制对象,控制过程进行较快,难以从记录曲线上找出衰减比。这时,只要被控量波动2次就能达到稳定状态,可近似认为是4:1的衰减过程,其波动一次时间为Ts。 Kp=k/1.2

调节ki出现的第二个峰值和稳态值相切; kd=ki/3.5

(3)临界比例带法,用临界比例带法整定调节器参数时,先要切除积分和微分作用,让控制系统以较大的比例带,在纯比例控制作用下运行,然后逐渐减小PB,每减小一次都要认真观察过程曲线,直到达到等幅振荡时,记下此时的比例带PBk(称为临界比例带)和波动周期Tk,然后按表3-4-3给出的经验公式求出调节器的参数值。按该表算出参数值后,要把比例带放在比计算值稍大一点的值上,把Ti和Td放在计算值上,进行现场观察,如果比例带可以减小,再将PB放在计算值上。这种方法简单,应用比较广泛。但对PBk很小的控制系统不适用。

(4)反应曲线法,前三种整定调节器参数的方法,都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的。如果知道控制对象的特性参数,即时间常数T、时间迟延ξ和放大系数K,则可按经验公式计算出调节器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率φ=0.75的要求。 应用以上规则,对下图系统进行PID调整

Kp增加则振荡周期减小,超调增加,上升时间减小,反之亦然; Ki增加则超调/回调比增加,稳定性下降,反之亦然; Kd增大则稳定性增加,反之亦然;

当系统上升时间大于要求的上升时间时,增加Ki; 在稳态时,系统输出产生波动现象,适当增加Kd; 系统输出对于干扰信号反映灵敏,适当减小Kd; 上升时间过长,增加Kp; 系统输出发生振荡减小Kp。

谈如何整定PID参数

各种工艺装置采用DCS系统主要实现生产过程的自动化控制,DCS系统在各类生产装置工艺过程中占有举足轻重的地位,它指挥和控制生产过程的大脑和神经中枢,是各类生产装置保证工艺指标、安全稳定运转、节能降耗及优化操作和改善生产管理的关键,DCS能否发挥应有的作用和取得用户满意的效果,其中自控率是一项很重要的指标,调节系统能否投入自动,PID参数整定很关键。

一、

调节器正/反作用的确定方法

调节系统投自动:往往在控制方案确定好且判断出调节器的正/反作用后,最关键的是P、I、D参数如何整定,根据多年的现场工作经验,谈谈如何整定调节系统的P、I、D参数,请大家在工程中参考。

在整定调节系统的P、I、D参数前,要保证一个闭环调节系统必须是负反馈,即Ko*Kv*Kc >0。

_PV Kc(PID) Kv Ko 测量 sp

单回路PID调节系统方框图

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调节对象Ko:阀门、执行器开大,测量PV增加,则Ko>0;反之,则Ko<0;

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调节阀门Kv:阀门正作用(气开、电开),则Kv>0;阀门反作用(气关、电关),则Kv<0;

Ko、Kv的正负由工艺对象和生产安全决定,根据Ko、Kv的正负和Ko*Kv*Kc >0,我们可以确定Kc的正负,

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调节器Kc:若Kc>0,则调节器为反作用;若Kc<0,则调节器为正作用;软件组态中要设置正确,在装置调试和开车及P、I、D参数整定前,调节器的正/反作用务必检查,且正确无误。

1)

在整定调节系统的P、I、D参数前,要保证测量准确、阀门动作灵活;

2)

在整定调节系统的P、I、D参数时,打好招呼,要求用户工艺操作密切注意生产运行状况,确保安全生产;

3)

在整定调节系统的P、I、D参数时,先投自动后串级,先投副环后主环,副环粗,主环细。在操作站CRT上,打开调节器的整定调整画面窗口,改变给定值SP或输出值OP,给出一个工艺允许的阶跃信号,观察测量值PV变化和趋势图,不断修定PID参数,往往反复几次,直至平稳控制。实际中,一般能达到工艺满意的一阶特性即可。

二、经验PID整定参数预置

DCS控制系统PID参数的整定方法.

PID参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经
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